ENE324 การทดลองเรื่อง L Matching Network

ENE324 การทดลองเรื่อง L Matching Network

วัตถุประสงค์ :
  1. เพื่อให้เข้าใจหลักการ การถ่ายทอดกำลังสูงสุด
  2. เพื่อทดลองวงจรแมทชิ่งแบบ L
  3. เพื่อให้คุ้นเคยกับการใช้เครื่องวิเคราะห์เน็ทเวิร์คแบบเวกเตอร์ (VNA)

ทฤษฎี :
        ในการถ่ายทอดกำลังให้ได้สูงสุด อิมพีแดนซ์ด้าน source และ load ต้องมีคอนจูเกตเท่ากัน ส่วนใหญ่นิยมใช้ L-network ประกอบด้วยอุปกรณ์รีแอกตีฟสองตัว ซึ่งสามารถแมทช์กันได้ รูปที่ 1 แสดง เน็ทเวิร์ค L แบบสองชิ้น ซึ่งจะแมทช์ RS เข้ากับ RL ซึ่ง RL< RS เราใช้รีแอกเตอร์ XP ขนานกับความต้านทานที่มีค่ามากกว่า พิจารณาตัวอย่างที่กำหนด RS = 1000 Ω และ RL = 50 Ω อิมพีแดนซ์ด้านซ้าย เท่ากับ

           รูปที่  1 ตัวรีแอกเตอร์สองตัวในเน็ทเวิร์ค  L แมทช์   RL เข้ากับ RS

     เลือก XP เพื่อให้ Zleft เป็น 50 Ω คือเท่ากับ ค่าความต้านทานโหลด โดยใช้สมการ (1)คำนวณได้ XP^2 = 52441 ดังนั้น เราสามารถเลือก XP = 229 (L) หรือ XP = -229 ( C) เราสามารถหักล้าง Xleft โดยการใส่ตัวรีแอกเตอร์อนุกรม XS ที่ค่าเท่ากับ -Xleft. ความสัมพันธ์ของ XL XC Rsource R load จะเป็นดังนี้

      รูปที่ 2 แสดงวงจร แมทชิ่งที่ได้ เมื่อ XP เป็น L(a) และเมื่อ XP เป็น C(b)สุดท้ายเป็นการหาค่า L และ C ที่ทำให้ได้ ค่ารีแอกแตนซ์ ตามที่คำนวณที่ความถี่ที่ต้องการวงจรในรูปที่ 2(b) , ωL = 218 สมมุติว่าความถี่ที่ออกแบบ 1.5 MHz จะคำนวณได้ L = 23.1 μH และ C = 462 pF สังเกตุว่าค่าของ รีแอกเตอร์ทั้งสอง นี้ สามารถหาได้จากค่าความต้านทาน source และ load เว้นแต่ในกรณีที่ต้องการกำหนดว่าอุปกรณ์ตัวไหนเป็น L และตัวไหนเป็น C ในวงจรแมทชิ่งแบบสองชิ้นนี้ไม่มีตัวแปรอิสระ การแมทช์มีผลสูงสุดที่ความถี่ที่ออกแบบการตอบสนองความถี่สำหรับวงจรทั้งสองในรูปที่ 2 การตอบสนองแบบโลวพาส (2a) และไฮพาส (2b)

รูปที่ 2 ผลการคำนวณค่าอุปกรณ์ สำหรับเน็ตเวิร์ค L

รูปที่ 3 การตอบสนองความถี่ของเน็ตเวิร์ค L จากรูปที่ 2

1.16 การออกแบบและคำนวณ

รูปที่ 4 วงจรแมทชิ่งแบบ L สองรีแอกเตอร์ สามารถต่อได้ 4 แบบ

     หากต้องการแมทช์ ความต้านทาน source Rs เข้ากับความต้านทาน load RL เราอาจทำเน็ทเวิร์คไฮพาสหรือโลวพาสซึ่งมีความสามารถเท่าเทียมกัน ตอบสนองสนองความถี่ช่วงแมทช์ คล้ายกัน แต่ที่ความถี่ห่างออกมาปรากฏเป็นไฮพาส หรือ โลวพาส ตามลักษณะวงจร

ขั้นตอนการแมทชิ่งด้วยอุกรณ์รีแอกตีฟสองตัว ทำได้ดังนี้

1) เพิ่มตัวรีแอกตีฟอนุกรมหนึ่งตัว ติดกับ RSMALLER และอีกหนึ่งตัวติดกับ RLARGER ตัวที่วางอนุกรมอาจเป็นตัว L หรือ Cส่วนตัวที่วางขนาน จะให้เป็นชนิดตรงข้าม ถ้าตัวที่ต่ออนุกรมเป็น L จะได้การตอบสนองแบบโลวพาส และเมื่อตัวที่ต่ออนุกรมเป็นตัว C จะได้ลักษณะการตอบสนองแบบ ไฮพาส

   · กรณีใช้แบบโลวพาสกับวงจรขยาย BJT ซึ่งปกติจะมีอัตราขยายมากกว่าที่ความถี่ต่ำอาจพบปัญหาเสถียรภาพที่ความถี่ต่ำกรณีนี้เราอาจจะใช้วงจร LC ด้านหน้าเป็น ไฮพาส (seriesC, shunt L) เพื่อช่วยเสถียรภาพ

   · ทางด้านเอ้าท์พุท ถ้าต้องการลดความถี่ฮาร์โมนิกส์ จะต่อเป็นวงจรแมทชิ่งแบบโลวพาส

รูปที่ 5 ค่า Q ของเน็ตเวิร์คย่อยอนุกรม และ ขนาน มีค่าเท่ากัน

2) ต่อตัวรีแอกตีฟอนุกรมกับ RSMALLER แล้วต่อตัวรีแอกตีฟขนานกับ RLARGER เพื่อสร้างเป็นเน็ทเวิร์คย่อยสองชุด ชุดหนึ่งเป็นอินดัคตีฟ ส่วนอีกชุดหนึ่งเป็นคาปาซิตีฟ (ตัวหนึ่งต่ออนุกรมอีกตัวต่อขนานและทั้งสองต้องแสดงเป็นอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนแบบคู่ตรงข้ามซึ่งกันและกัน ที่ความถี่ที่ออกแบบไว้ ดังนั้นค่าแฟกเตอร์ Q ของเน็ทเวิร์คย่อยทั้งสองจะต้องเท่ากันที่ความถี่ที่แมทช์ )

3) การที่เราทราบค่า Q เราสามารถที่จะหาค่าตัวรีแอกตีฟที่ต่ออนุกรม และขนาน จากนั้นสามารถหาค่าตัว
เหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุที่ต้องใช้ในเน็ทเวิร์ค จากสมการต่อไปนี้ :

ตัวอย่าง

ต้องการแมทช์ความต้านทาน source 5 Ω เข้ากับความต้านทาน load  50 Ω ที่ความถี่ 850MHz เราสามารถเพิ่มตัวเหนี่ยวนำ อนุกรมกับ RSMALLER (5 Ω) และต่อขนานตัวเก็บประจุ กับ RLARGER (50 Ω) สามารถคำนวณ ค่าแฟกเตอร์ Q ของ เน็ทเวิร์คย่อย ที่ต้องการ ได้ดังนี้ :

การคำนวณหาค่าของตัวเหนี่ยวนำ และ ตัวเก็บประจุที่ความถี่ 850 MHz ทำดังนี้

รูปที่ 6 แสดงวงจรแมทชิ่ง ตามตัวอย่าง

  . เน็ทเวิร์ค LC สามารถแมทช์ ปลายทั้งสองด้าน โดยที่มีคุณลักษณะการตอบสนองไม่สมมาตรในช่วงความถี่ที่ต่ำกว่า และสูงกว่า ความถี่ที่แมทช์ โดยที่มีการสูญเสียน้อยมากที่ความถี่ที่แมทช์
  · การสูญเสียในช่วงความถี่ที่ต่ำกว่าความถี่ที่แมทช์ เกิดขึ้น เนื่องจากการไม่แมทช์ ระหว่างวงจรทั้งสองด้านโดย เกิดการสูญเสีย Mismatch Loss [dB] = 10*LOG (1 – Γ 2 )
  · การสูญเสีย ในช่วงความถี่สูงกว่าความถี่แมทช์เป็นผลของการตอบสนองแบบโรลออฟ (12dB/octave )
  · การตอบสนองของ เน็ทเวิร์ค L-C แสดงความไม่สมมาตรเฉพาะช่วงใกล้ ความถี่แมทช์

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

     1. Vector Network Analyzer 3 GHz 50 Ohms

     2. 50 Ohms ,N type or BNC cables

     3. L network ที่ต้องการทดสอบ

การทดลอง

1. ออกแบบเน็ทเวิร์คแมทชิ่ง แบบ L ที่ ตอบสนองแบบโลวพาส เพื่อแมทช์ซอร์สอิมพีแดนซ์ 50 +j0Ohms เข้ากับโหลด 750 โอห์ม และคำนวณ XL XC ที่ความถี่ 26 MHz

2. สร้างวงจรโดยใช้ ค่าอุปกรณ์ที่คำนวณได้ โดยใช้ขดลวดแกนอากาศ

3. ต่อวงจรนี้ เข้าที่ ขั้ว N female port 1 ของเครื่องวิเคราะห์เน็ทเวิร์ค ( VNA) เพื่อวัด S11

S11 เป็นการวัดการสะท้อนกลับออกจากพอร์ต 1 สามารถแสดงอิมพีแดนซ์ที่มองจากซอร์ส 50 Ohms ของ VNA 

4. กำหนดความถี่กลาง(Center freq)ช่วงกว้างของความถี่ที่แสดง( Span)และสเกลให้เหมาะสม

5. ทำการวัดในรูปแบบ( format ) Log Mag, SWR และ Smith chart ( R+jX)

6. อาจมีการปรับค่าของอุปกรณ์ในวงจรบ้าง

7. บันทึกผลการทดลองโดยแสดงการพล๊อต ทั้งสามรูปแบบ ในช่วงความถี่เท่ากัน

8. แสดงการคำนวณเปรียบเทียบค่าใน format ทั้งสามว่า สอดคล้องกัน

9. เปรียบเทียบผลการทดลองกับการคำนวณ

ผลการทดลอง

1. ออกแบบเน็ทเวิร์คแมทชิ่ง แบบ L ที่ ตอบสนองแบบโลวพาส เพื่อแมทช์ซอร์สอิมพีแดนซ์ 50 +j0Ohms เข้ากับโหลด 600 โอห์ม และคำนวณ XL XC ที่ความถี่ 80 MHz

1.1 คำนวณหาค่า Q

1.2 แทนค่าหา L1 ซึ่งเป็น LS ดังนั้นใช้สมการ

1.3 แทนค่าหาC1 ซึ่งเป็น CP ดังนั้นใช้สมการ

2. สร้างวงจรโดยใช้ค่าอุปกรณ์ที่คำนวณได้โดยใช้ขดลวดแกนอากาศ

3.ต่อวงจรนี้เข้าที่ขั้ว N female port 1 ของเครื่องวิเคราะห์ network (VNA) เพื่อวัด S11 S11 เป็นการวัดการสะท้อนกลับออกจาก port1 สามารถแสดง impedance ที่มองจาก source 50 Ohms ของ VNA

กำหนดความถี่กลาง (Center freq.) เท่ากับ

รูปแสดงการวัดในรูปแบบ Log Mag

รูปแสดงการวัดในรูปแบบ SWR

รูปแสดงการวัดในรูปแบบ Smith chart

รูปแสดงการเปรียบเทียบโดยการใช้โปรแกรม Matlab 

กราฟ Log Mag

กราฟ  Smith chart (R+jx)

เปรียบเทียบค่าใน format ทั้งสาม

1.จากรูป smith chart เมื่อเราให้ความถี่เป็น 25.752 MHz แล้วทำการเปลี่ยน marker ไปที่ Z = 50 ohm เราจะได้ค่าอยู่ที่จุด (0,0) ซึ่งแสดงว่าที่ความถี่นี้รูปคลื่นไม่มี

2.การสะท้อนกลับ ( Amplitude = 0 และ Phase = 0) จากรูปกราฟ SWR จะเห็นว่าจุดต่ำสุดของกราฟอยู่ที่ความถี่ 25.752 MHz เป็นจุดที่แสดงว่าคลื่นไม่มีการสะท้อนกลับซึ่งค่าสอดคล้องกับ smith chart

3.จากรูปกราฟ log Mag เป็นการ plot ค่าโดยใช้ log scale ซึ่งจุดต่ำสุดคือ จุด Impedance ของวงจรมีค่าประมาณ 26 MHz ซึ่งสอดคล้องกับ  Smith chart และ SWR

คำถาม

1. ประโยชน์ของการใช้ L matching

     - L-Network จะทำให้การถ่ายทอดกำลังมีค่าสูงสุดซึ่งจะใช้อุปกรณ์รีแอคตีฟสองตัวที่สามารถแมทช์กันได้ระหว่าง Rsource กับ Rload เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสะท้อนของคลื่น เมื่อRทั้งสองตัวไม่เท่ากัน จะต้องทำให้  Rs = Rl โดยจะนำรีแอคตีฟไปต่อขนานกับ R ตัวที่เยอะกว่า

2. เขียนวิธีการใช้เครื่องมือชนิดอื่น นอกเหนือไปจาก VNA เพื่อทำการวัดเช่นเดียวกันนี้

    - สามารถใช้ Antenna analyzer ในการวัดค่าอิมพีแดนซ์ได้ โดยตั้ง Antenna analyzer ไว้ที่ค่าพื้นฐาน จากนั้นต่อสาย longwire มาเข้า L-NETWORK และต่อเข้า analyzer จูนค่า VC จนเข็มตกมาที่ค่า 0 ก็จะใช้งานได้

สรุปผลการทดลอง
     การทดลองนี้เป็นการทดลองเพื่อหาค่า impedance ที่ทำให้เกิดการสะท้อนในการรับสัญญาณให้น้อยที่สุด เพื่อให้การรับสัญญาณมีประสิทธิภาพโดยค่า impedance นั้นจะมีค่าที่ทำให้เกิดการสะท้อน

วิจารณ์ผลการทดลอง 
     ในการทดลองเพื่อหา impedencd ที่จะทำให้มอง  Zin = Zout ที่เราต้องทำ Zin = Zout เพราะถ้ามีการส่งสัญญาณ แล้ว impedance ไม่เท่ากัน จะทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณได้ ดังนั้นจึงต้องออกแบบให้ Zout = Zin = 50 ohm โดยที่เราจะต้องออกแบบ Network matching ขนาด L ที่ตอบสนอง wathsorce Impedance 50+j0 ohm เข้ากับโหลด 750 ohm ดังนั้นเราจึงต้อง matching impedance ที่ความถี่ 26 MHz และเมื่อคำนวณหาค่า XL และ XC จะได้ XC = 200.50 ohm , XL =  187.65 ohm และคำนวณความเหนี่ยวนำได้ 28 nH และ C= 11.2 pF   ดังนั้น เมื่อต่อ L network ได้ตามที่เราออกแบบความถี่ 26 MHz จะไม่มีการสะท้อนเมื่อผ่าน network นี้

ENE324 การทดลองเรื่อง Microwave

ENE324 การทดลองเรื่อง Microwave

วัตถุประสงค์:
1. เพื่อศึกษาการทำงานของอุปกรณ์ในย่านความถี่ x ( 8-12.4 GHz )
2. เพื่อศึกษาเรื่องการสะท้อน และ VSWR
3. เพื่อศึกษาเรื่องความยาวคลื่น

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง: 
1. ชุดทดลองไมโครเวฟ ED-3000
2. เครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ 10 GHz
3. Digital voltmeter
4. Digital Ammeter
5. สายต่อที่จำเป็น

เกี่ยวกับชุดการทดลอง ED-3000
ชุดการทดลองนี้ทำงานในย่านความถี่ระหว่าง 8.5GHz~12.4GHz (X-Band) และตัวกำเนิดคลื่น 15mW (Approx.) โดยใช้ท่อนำคลื่นหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า ขนาดมาตรฐาน WR-90 (0.9 ” x 0.4”, กว้าง xสูง)มีอุปกรณ์ต่างๆสำหรับการทดลองในย่านความถี่นี้ ดังนี้

1. Gunn diode oscillator     

2. Straight W/G

3. Variable flap attenuator

4. .Frequency Meter

5. Modulator

6. Fixed attenuator

7. Slide

8. Horn Antenna

9. Reflector plate
10.Base
11.Cables
12.Mounting hardware
13. Gunn power supply

14. Square wave Oscillator

ขั้นตอนการทดลอง:

• การทดลองที่ 1 : การวัดคุณลักษณะของ กันไดโอด ( Gunn diode I-V characteristic)

รูปที่  1 การต่ออุปกรณ์สำหรับทดลอง

1. ต่ออุปกรณ์ตามรูปที่ 1

2. ป้อนแรงดันเริ่มต้นที่ 2.5 v. บันทึกค่ากระแสไหลลงในตารางที่ 1.

3. เพิ่มค่าแรงดันครั้งล่ะ 0.5 v. จดค่ากระแส ทำแบบนี้อีกจนแรงดันถึงค่า 8.0  v. 

4. นำค่าที่ได้จากตารางมา พล็อตกราฟ V-I characteristic of GUNN diode 

  ผลการทดลองที่ได้แสดงช่วง การตอบสนองแบบ  Negative resistance

รูปที่ 2 ลักษณะการตอบสนองแบบ negative resistance

• การทดลองที่ 2 : การวัดการเปลี่ยนแปลงของความถี่และกำลัง ที่ออกจาก กันออสซิเลเตอร์ เมื่อเปลี่ยนค่าแรงดัน

รูปที่ 3 การต่ออุปกรณ์ สำหรับการทดลองวัดความเปลี่ยนแปลงของ
Gunn oscillator O/P

1. ต่ออุปกรณ์ตามรูปที่ 3

2. ป้อนแรงดันค่าต่ำสุดที่ทำให้ กันออสซิเลเตอร์ทำงานโดยสังเกตจาก เครื่องวิเคราะห์แถบความถี่

3. เพิ่มค่าแรงดันครั้งละ 0.5 v. จดค่าความถี่ที่อ่านได้จากเครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ ทำแบบนี้อีก จนแรงดันถึงค่า 8.0 v. บันทึกลงตารางที่ 2.

4. นำค่าที่ได้จากตารางมาพล็อต Supply voltage vs. Frequency

5. นำค่าที่ได้จากตารางมาพล็อต Supply voltage vs. o/p power level

• การทดลองที่ 3 : การวัดความถี่ (frequency measurement)

รูปที่ 4 การต่ออุปกรณ์ สำหรับการวัดความถี่ และความยาวคลื่น

ต่ออุปกรณ์ดังรูปที่ 4 ในการทดลองนี้เราจะใช้ ออสซิโลสโคป แทนเครื่อง SWR indicator

1. ค่อยๆหมุนกระบอกของเครื่องวัดความถี่ช้างๆ จนกระทั่งสังเกตเห็นการลดลง ของขนาดสัญญาณไมโครเวฟ ดูได้จากออสซิโลสโคป 

2. สามารถอ่านความถี่ได้จาก สเกลที่ปรับเทียบไว้

3. การทำงานของเครื่องใช้หลักการของ resonant cavit

• การทดลองที่ 4 : การวัดความยาวคลื่น (Wavelength measurement)

1. ตั้งแผ่นสะท้อนคลื่นปิดที่ปลายท่อ จากนั้นค่อยๆเลื่อนแผ่นสะท้อนออกมา โดยให้แผ่นสะท้อนหันหาปลายท่อตลอดเวลา ขณะที่มีแผ่นสะท้อนที่ปลาย จะมีคลื่นนิ่งในท่อนำคลื่น

2. ขณะที่เราเคลื่อนแผ่นสะท้อน ให้หาตำแหน่งที่มีค่าแรงดันต่ำที่สุด สองตำแหน่งใกล้กัน ซึ่งแรงดันในท่อนำคลื่นสามารถตรวจจับได้ด้วย ดีเทคเตอร์ที่ติดไว้ที่ โพรบของสลอตลายน์ ต่อกับออสซิโลสโคป DC coupling

3. ระยะของสองตำแหน่งค่าแรงดันต่ำสุดที่อยู่ชิดกันนี้ เท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น คำนวณค่าความยาวคลื่น แล้วบันทึกลงในตาราง 3-1

• การทดลองที่ 5 : การวัดความยาวคลื่นในท่อนำคลื่น (Guided Wavelength measurement )

ทำการทดลองแบบเดียวกับการทดลองที่ 4 แต่ใช้แผ่นปิดปลายท่อแทน แผ่นสะท้อนคลื่น บันทึกค่าลงในตารางที่ 3-1

 ผลการทดลอง:

• ผลการทดลองที่ 1: การวัดคุณลักษณะของ กันไดโอด ( Gunn diode I-V characteristic)

ตารางที่ 1

• ผลการทดลองที่ 2: การวัดการเปลี่ยนแปลงของความถี่และกำลัง ที่ออกจาก กันออสซิเลเตอร์ เมื่อเปลี่ยนค่าแรงดัน

ตารางที่ 2

• ผลการทดลองที่ 3: การวัดความถี่ (frequency measurement)

ที่ความถี่ 11.37415 GHz เมื่อทำการปรับ Frequency Meter ให้มีค่า 11.2 GHz ซึ่งมีค่าใกล้เคียงความถี่ที่ตั้งไว้ จะพบว่าการลดทอนขนาดของสัญญาณไมโครเวฟจะมากขึ้น จากเดิมที่มีการลดลอน -3.03 dBm เพิ่มเป็น -7.65 dBm

• ผลการทดลองที่ 4-5: การวัดความยาวคลื่น

ตารางที่ 3-1

สรุปผลการทดลอง:

            จากการทดลองคลื่นไมโครเวฟจะเริ่มจาก Gunn diode oscilloscope ทำหน้าที่กำเนิดคลื่นไมโครเวฟที่ความถี่ในย่าน 10 GHz ซึ่งสามารถปรับความถี่โดยหมุนไมโครมิเตอร์ และ Oscillator ตัวนี้รับไฟ dc จาก Gunn power supply ประมาณ 7 vdcคลื่นไมโครเวฟที่ออกมาจะเดินทางผ่านท่อตรงไปยัง Variable flap attenuator ซึ่งเป็นตัวลดทอนสัญญาณ เช่น ลดลง 10 dB ต่อมาคลื่นจะส่งผ่าน Frequency Meter ซึ่งจะดูดคลื่นที่มีความถี่ตรงกับความถี่ที่ปรับไว้เข้าไปยังตัวมิเตอร์ทำให้คลื่น output ลดลงหรือหายไป ต่อจาก frequency meter จะเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า modulator ซึ่งนำสัญญาณจาก Square wave oscillator ไป mod กับคลื่นไมโครเวฟ หลังจากนั้นก็ส่งผ่านท่อต่อตรงไปยัง slotted line ซึ่งเป็นตัววัดสัญญาณคลื่นที่จุดต่างๆตามความยาวของท่อ และสัญญาณจะถูก detect แล้วส่งผ่าน cable ไปยังออสซิโลสโคปเพื่อวัดสัญญาณ และส่วนสุดท้ายจะเป็นส่วนของสายอากาศ Horn มีลักษณะเป็นท่อสี่เหลี่ยมปลายเปิดกว่างและจะส่งคลื่นไมโครเวฟไปในอากาศ คลื่นที่ส่งไปในอากาศจะสะท้อนกับแผ่นโลหะไปยัง Horn ขนาดเล็กอีกอัน ซึ่งจะส่งสัญญาณเข้าไปยังSpectrum Analyzer เพื่อวิเคราะห์ความถี่ของคลื่นที่ส่งออกมา
วิจารณ์ผลการทดลอง:
     การทดลองที่ 1 : 

         ผลการทดลองที่ได้เมื่อนำมา plot กราฟ V-I Characteristic of GUNN diode จะพบแค่ส่วนของ thereshold voltage แต่ไม่พบในส่วนของ nagative resistance region เพราะ วัดที่แรงดันจำกัดเพียง 8 V ซึ่งยังไม่ถึงจุดดังกล่าว
     การทดลองที่ 2 :
        เมื่อทำการเพิ่มค่าแรงดันจะทำให้ความถี่เพิ่มขึ้นแต่ O/P Power (dBm) มีค่า -dBm ลดลง
     การทดลองที่ 3 :
        เมื่อทำการปรับ Frequncy Metor ให้ตรงกับความถี่ที่ตั้งไว้ จะทำให้มีค่า -dBm เพิ่มขึ้นจาก -3.03 เป็น -7.65 dBm แต่ในการปรับ Frequncy Metor นั้นอาจจะไม่ตรงกับความถี่ที่ตั้งไว้จำทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนจากการประมาณค่าได้
     การทดลองที่ 4-5 :
       จากการทดลองการหาค่าความยาวคลื่นในอากาศและความยาวเคลื่อนในท่อนำคลื่นที่ความถี่เดียวกันจะแตกต่างกัน โดยความยาวคลื่นในท่อนำคลื่นมีค่ามากกว่าส่งผลให้ ความเร็วของคลื่นในท่อนำคลื่นจะเร็วกว่าความเร็วคลื่นในอากาศจากสูตร
ความเร็ว = ความถี่*ความยาวคลื่น 

ENE324 การทดลองเรื่อง การรับสัญญาณจากดาวเทียม (Satellite Communication)

ENE324 การทดลองเรื่อง การรับสัญญาณจากดาวเทียม

(Satellite Communication)

วัตถุประสงค์ :
1. เพื่อให้เข้าใจวิธีการและรู้จักอุปกรณ์ในการรับสัญญาณจากดาวเทียม
2. เพื่อให้ทราบวิธีการคำนวณมุม look angle
3. เพื่อฝึกการใช้งานและอ่านค่าจากเครื่องวิเคราะห์แถบความถี่
เครื่องมือและอุปกรณ์:
1. จาน 120 cm. Parabolic และ จาน 90 cm offset Parabolic

 2. Ku band Feed & LNB
3. RG 6 A/U Transmission line 
4. Spectrum Analyzer

5. Bias Tee Network            
6. Inclinometer 
 7. Magnetic Compass  

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง :

• Thaicom5 Ku Spot Beam

รูปที่ 1 : ฟุตพริ้นท์ของลำคลื่น KU จาก Thaicom5 บริเวณประเทศไทย

• การคำนวณมุมเงยและมุมกวาด

สถานีรับฯ ในการทดลองนี้ อยู่ที่ 13, 38, 58 N, 100, 29, 34 E และดาวเทียม GSO อยู่ที่ลองกิจูด 78.5 E เขียนตัวแปรจากข้อมูลที่กำหนดนี้โดยกำกับเครื่องหมายตามที่แสดงในรูปที่ 2

สถานีภาคพื้นดิน: 

แปลงละติจูดเป็นแบบทศนิยม : LE= 13.6944 N = +13.6944

แปลงลองกิจูดเป็นแบบทศนิยม : IE = 100.49378 E = +100.49378

ความสูง           : H = 0 km.

ดาวเทียม:

ละติจูด : LS = 0 (i=0)

ลองติจูด            : IS = 78.5 E = +78.5

คำนวณระยะทาง d, มุมเงย และมุมในแนวราบที่ชี้ไปยังดาวเทียม

ขั้นตอนที่ 1 หาความแตกต่างของลองกิจูด, B

B = 1E-1S = (+100)-(+78)  = +21.5

ขั้นตอนที่ 2 หารัศมีของโลกที่สถานีฯ, R, ใช้ในการคำนวณระยะทาง

ขั้นตอนที่ 3 หาระยะทาง d

ขั้นตอนที่ 4 หามุมเงย

ขั้นตอนที่ 5 หาค่ามุม Ai

ขั้นตอนที่ 6 หาค่ามุมในแนวราบ , จากค่ามุม Ai, จากรูปและตารางข้างล่างนี้ที่แสดงความสัมพันธ์ของตำแหน่งดาวเทียม และสถานีฯ

วิธีการทดลอง: 

1. ต่ออุปกรณ์ตามรูป

ความถี่ขาลงที่สามารถรับได้ จากดาวเทียม Thaicom5 มีค่ในช่วง 12.25 – 12.75 GHz ถูกแปลงค่าลดลงโดยการทำงานของ Ku band LNB ซึ่งมีออสซิเลเตอร์แบบ DRO ความถี่ 11.30000 GHz. เมื่อความถี่ขาเข้าผสมกับความถี่ออสซิเลเตอร์ เราจะได้ความถี่ผลต่างในช่วง 950-1450 MHz

2. ตั้งค่าในเครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ดังนี้:

Center frequency   1200 MHz.

Span     500 MHz 

Reference level      -60 dBm 

Vertical scale     2 dB/div.

Resolution bandwidth   1 MHz. 

Video filter   10 KHz.

3. Bias LNB ที่ 18 Vdc. และจำกัดกระแสที่ 0.3 A.

4. ถ้าหากตั้งมุมเงย และมุมกวาดถูกต้อง จะสามารถสังเกตว่ามีสัญญาณคลื่นพาห์ เข้าเครื่องวิเคราะห์แถบความถี่ในช่วง 950-1450 MHz โดยมีระดับสัญญาณสูงกว่าระดับน้อยส์ ซึ่งสามารถปรับให้อัตราส่วน C/N สูงขึ้นอีกโดยการขยับมุมกวาด และมุมเงยเล็กน้อย

5. ปรับให้สามารถอ่านค่า C/N สูงขึ้นอีกโดยการค่อยๆหมุน LNB ให้การวางตัวของของ LNB ตรงกับระนาบคลื่นที่เข้ามา

6. อ่านค่าความถี่ตรงกึ่งกลางของแต่ละคลื่นพาห์ ซึ่งเท่ากับผลต่างระหว่าง ความถี่ส่งขาลง ลบด้วย ความถี่ออสซิเลเตอร์ 11300 MHz และวาดรูปสเปคตรัมที่สังเกตได้ทั้งสองระนาบคลื่น

7. ทดลองเปลี่ยน polarization โดยการเปลี่ยนค่าแรงดัน โดยเปลี่ยนค่าจาก 18 V. เป็น 13 V. เท่ากับการหมุนปรับ  polarization ของ LNB ไป 90 องศา ทำให้สายอากาศไปรับสัญญาณอีกระนาบหนึ่งแทน

8. แสดงสเปคตรัมที่รับได้เมื่อใช้แรงดันไบอัส 18 V.

9. แสดงสเปคตรัมที่รับได้เมื่อใช้แรงดันไบอัส 13 V.

ผลการทดลอง: 

สรุปผลการทดลอง:
  ในการทดลองโดยใช้จานรับสัญญาณดาวเทียมในการรับสัญญาณจากดาวเทียมนั้นจะต้องทำการตั้งจานรับสัญญาณให้ตรงกับตำแหน่งของดาวเทียมจากการหามุมเงยและมุมกวาด ถ้าตั้งไม่ตรงตำแหน่งกำลังของสัญญาณจะลดลง(อาจได้รับน้อยหรือไม่ได้รับเลย)ซึ่งจากการคำนวณจะได้มุมเงย 60 องศา และทำมุมกวาดจากทิศเหนือ 240 องศา และจากการทดลองจะทำการปรับแรงดัน เพื่อปรับระนาบการรับของจานดาวเทียมที่แรงดัน 18 V จะเป้นการับในระนาบ Horizontal และแรงดัน 13 V จะเป็นภาครับของระนาบ Verical

วิจารณ์ผลการทดลอง:

     การทดลองนี้เป็นการทดลองการใช้เครื่องมือรับสัญญาณดาวเทียมจากดาวเทียมไทยคม 5 และ ไทยคม 6 โดยการตั้งจานดาวเทียม จานจะต้องหันไปในทิศทางที่ถูกต้อง ซึ่งจากพิกัดที่เราคำนวณ พบว่าต้องตั้งจานมุมเงยประมาณ 60 องศา มุมกวาดประมาณ 240 องศา แต่เมื่อทดลองจริงเราจะต้องดูจาก Spectum Anlyzer  เพื่อให้ได้สัญญาณที่ชัดเจนที่สุด โดยจากผลการทดลอง เราจะมีช่วงของความถี่ที่วัดได้จากจานดาวเทียม โดยแต่ละความถี่จะเป็นลำดับของ Transponder แต่ความถี่จริงๆจะมากเกินกว่าที่ Spectum Analyzer จะรับได้ เราจึงลบด้วยความถี่ 11.3 GHz เมื่อวัดได้จึงต้องบวกด้วย 11.3 GHz
     นอกจากนี้ความชื้นในอากาศ การสะท้อนของสัญญาณล้วนมีผลต่อการรับสัญญาณดาวเทียมทั้งนั้น รวมถึงขนาดของจานรับสัญญาณ ซึ่งส่งผลต่อการรับสัญญาณได้เช่นกัน